低温海水淡化如何实现？ 武汉大学教授详解“毛细法”

【中国环保在线 污水处理】如何利用废热实现海水淡化新突破，创造淡水资源副产品价值？像树一样将水抽取出来是否能在海水淡化领域为低温海淡铺平技术创新的道路？武汉大学胡雪蛟教授在2018工业园区海水淡化技术现场提出了“毛细法”概念，中国环保在线全程直播，并将胡雪蛟教授的报告整理为实录，仅供参考：
主持人：各位同仁，我们上午聆听几位大家的介绍之后应该是收获满满，那么继续后半场的报告。位报告人呢，我们非常高兴的请到了武汉大学的胡雪蛟胡教授，在新能源领域有很好的建树，胡老师报告的题目是结合我们海水淡化，特别是结合新能源的利用，以《新能源辅助工业园区温排水海水淡化技术》做报告，大家欢迎。
胡雪蛟：谢谢主持人，感谢大家。原来的题目我当时是想扣会议的主题，然后临时到昨天晚上，主要是上午几位老先生讲完以后，我发现我有必要稍微的调整一点点，然后介绍一下我们近的一些东西，老先生讲过的，前面一些大家们讲过的，我尽量的避免重复，简单的向大家汇报一下，主要是课题组做的一些东西，相对而言跟前面的老先生相比我们还算是新面孔，我过去也没有做过海水淡化，武汉大学过去做海水淡化的在这个圈子里人不多。
我稍微介绍一下，武汉大学做的水这块和我们课题组的情况。武汉大学实际上做水的主要是武汉水利电力大学，它有两大块，一部分是水资源，包括河流、水文这块；另外一个是从电厂化学，所以我等下要讲的很多东西都是跟电厂有关，电厂化学过去是要做高纯水，从高纯水向海水淡化拓展，另外一个跟我个人的背景情况有关，我过去是做火力电厂，我从上大学开始是在清华大学热能系，就是锅炉专业，从电厂的水开始，一直做热相关，后面到斯坦福大学的热，以及到后面在美国工作，也是在英特尔做热和流体，回国以后，偶然的进入到海水淡化领域，而且今天的题目调整《环境温度热法海水淡化》，到后我会把为什么叫环境温度，说一说我当时的一些想法。
首先个说海水淡化这个行业，原来不知道，进来以后是深深的体会到海水淡化非常不好做。很大一部分集中在“瓶颈”，进入一个瓶颈的阶段，它的瓶颈在于高耗能和高成本，很多东西，尤其到海水淡化真正要用的时候，用水那段的钱，太便宜，要把供水真正用到10块、20块一吨，海水淡化的事业肯定是蓬勃发展。但是，我们相比的是，包括上午的南水北调，花那么多钱，做南水北调，但是在给水务公司算成本的时候，南水北调工程的钱，它不算。对他来说，就是拿到水以后在后面的水处理，相对于海水淡化来说，由于它成本的问题以及耗能的问题，做起来相对困难。但是从我的背景，从一个电力系统来看，它的能耗和它的成本，它还有另外的思路去看待海水淡化能耗和成本的问题。
这里就是一个典型的火力发电厂的系统，火力发电厂后就是产生能量。它的化学能进去，它这里特别值得关注的是火力发电厂只有不到50%效率，意味着进去200万千瓦的能量，只能获得100万千瓦，另外的能量哪去了呢？另外能量在这里，我们要把能量冷下来，再送到锅炉加热。这是一个很难受的事情，经常考我们的大学生，为什么一定要先冷，再把它送到锅炉里去加热，为什么不直接进去，当然我们受基本定律的限制，就是我们热电力学的限制，所以我们的现实是每一个火电厂，一个100万千瓦的机组，它有100万发电的机组，那么它就带了一个100万千瓦煮海的机组。
比这个更厉害是核电，核电的效率更低，核电的效率只有30%多一点点，一个百万千瓦的核电发电机组它同时自带了一个200万千瓦煮海的机组，听起来像是能量的浪费，它比浪费更严重，因为它会直接导致附近海域温度升高。今年新的海洋环境保护法，2018年1月1日开始实施的，就对热污染做了比较严格的规定，包括它的4度温升线，2度温升线，用什么样的政策，这导致的结果就是很多已经立项的核电站后不能发电。所以，能不能给我们200万千瓦煮海的东西拿来海水淡化，给我们热法海水淡化，带来了巨大机遇，因为它的价值不是再以海水多少钱一吨来计算的，而是以一天一千万的发电收入来计算的，所以带来了巨大的经济效益。这跟过去电厂脱硫脱硝，很快就走到了脱热(一样)，那么这个时候就给海水淡化提供了很重要的用武之地。
另外一个就是关于新能源。我们上午的老师们也讲了新能源是利用废热。我们不必要用它15%发的电去做海水淡化，而用它85%剩下的热来做海水淡化，一个方面，由于我们把它的热拿走了，半导体的温度降下去了，那么半导体所有的功率跟温度相关，寿命跟温度相关，如果能通过把热拿走，降低太阳能电池板的温度，一个方面提升了效率；第二个方面延长了它的寿命，减少了它的麻烦；当然，第三个方面，顺便的附产品——淡水。当然它的挑战是，这些热都很接近环境温度的废热，我们怎么用这些热来做海水淡化。

下面简单汇报下我们课题组做的一些工作，其中我们比较喜欢说的就是——毛细法，我们的根本思路就是使劲抽水，你把水的压力降下去了，他的煮水温度就可以降下去，当然你想使劲降压用中空泵，那是要付出代价的，那我们就找了一个它自己可以带的泵，就是毛细力，利用像树一样的结构，把水从地上抽上来，然后稍微有些温度的变化，保证有能量供给，它就可以气化；压力降低了，它就可以气化，气化以后收集起来就是很好的淡水。

这跟我过去的经历有关，我过去做散热的，这就是一个典型的热管，热管是大规模工业用，包括机器就有热管，在CPU和旁边的散热器之间，就用热管来做，它是新力驱动的，在热的那端发，在冷的那端冷凝，然后用毛细力把水拿过来，但是我们知道，冷凝以后的水是非常好的，高品质的淡水。我们做的工作就把热管打开，得到好的水，拿走了，给它补回去的水(补海水)，这整个就是我们的思路。
下面讲一下，我们做的一些例子。个例子就是太阳能，这是我们做的一些小的装置，上面是一个太阳能电池板，我们的装置就在底下，太阳能电池板改下基座就可以，这个我们可以做到接近每平米每小时3公斤淡水，如果有一个100平米的太阳能发电场地，1000瓦每平米的标准太阳，那就有15000瓦(因为只有15%)的发电功率，同时每小时每天可以得到300公斤淡水。它一个方面可以降低太阳能电池板的温度，可以提高太阳能电池板本身的发电效率，不占用它的电，这电该怎么用就怎么用，还多给你电，让寿命再延长一点，同时带来一个副产品——每天每小时产3公斤淡水。当然这是个小的，(这个装置)对海洋，对很多小岛上的太阳能电池很有用。另外在火电厂，这是我们做过的在一个火电厂，在汽轮机运行的平台，在火电厂做余热，电厂的海水只有30多度就可以让整个海水淡化系统运转。其实我们现在做核电，我们可以说一说，我们在做一个一天100吨的中试系统，为了核电站的热排放达标，一个是让热被海水淡化“吃掉”，主要是废物吃掉，让它每天每台百万千瓦机组转1000万，顺带产些水，从五六万到七八万不等，这是副产品。
当然，在做水的一些过程当中，也发现了一系列新的科学问题。压力用毛细力使劲抽，使劲抽之后个遇到的问题——超真空。什么是超真空？它的个特点是我们可以把压力抽到负值，负多少帕，而不是说低于多少。不要觉得很奇怪，我们随便望过去，树长到超过4.3米以后，如果长到20米，水提升4.3米以后，压力就降到零，但是它还是水，它可以把水提到树叶上，顶上那片树叶还是水，但是那时候的压力一定是低于零帕。首先是压力为负值，另外还发现很有意思的现象，压力为负值的条件下，它的能级会比液相甚至更高，所以它会出现潜热反号。平常我们水要从液相变到气相要吸热；但是负压力条件下，水从液相变成气相要放热。另外还有一些比热跳跃。发现比热在零附近，会将近会跳一半，水的比热基本是4.18千焦/千克。但是我们发现在负压力条件下大概在2倍左右。另外是扩散。扩散会提高，根据不同的离子，钾离子、钠离子或者氯离子，它的扩散系数会提高几倍，就是百分之几百的增长。这就是一些全新的现象，当我们把水的压力抽到了一个以前从来不把它当作工业应用的低压状态。
另外一个就是流动问题——分子间流。因为我们用了很小的孔隙去抽，因为毛细力跟孔隙半径成反比的，孔隙越小，毛细越大，我们想获得大的抽新力的同时我们就降低孔隙，实际上我们反渗透也有很多这样的孔隙。那么这些孔隙当中，一个方面可以看到它边界滑移(它跟你的界面已经没有摩擦了，水出于几乎固体的状态滑过去的，水通量高两个数量级)，另外还有一个方面是边界透明(水的流动能作用的就是边界，但是水能够流到厚度足够薄的时候，比如就是石墨烯，在单元层，其作用力会透过石墨烯，也就是在足够小的条件下，水分子是可以有一定超距作用的)。这是我们一些关于实践和基础问题的一些体会。
后简单小结，目前我们努力的一个很大的方向就是利用低温或者，温度低到环境温度，然后把不想要的一些热污染去除的同时获得淡水资源。两个方面，淡水资源很宝贵，去掉热污染也很重要，双效益结合。
谢谢大家！
注：本文根据武汉大学胡雪蛟教授在2018工业园区海水淡化技术现场交流会题为《环境温度热法海水淡化技术》的演讲整理而成。